Σχεδιασμός πρότυπου διαμεσολαβητή εποπτείας και διαχείρισης ηλεκτρικού δικτύου με την προσέγγιση της μηχανικής γνωσιακών συστημάτων

Abstract

The subject of the doctoral thesis is the analysis, design, and evaluation of a Prototype Interface for electric network supervision and control, with Cognitive Systems Engineering (CSE) approach, and more specifically with Ecological Interface Design philosophy. At a theoretical level, the doctoral thesis aimed at generating knowledge about the suitability and effectiveness of ecological design in a domain that has not been tested before. It also aimed at enhancing knowledge on how to integrate in the interface design process, the technological and organizational changes that are in progress in the work system, through the CSE approach. On a practical level, the doctoral thesis aimed at designing an ecological interface that will effectively support operators’ cognitive work, especially during critical operational conditions (e.g. high energy demand periods, timeframes before and after a blackout event) when industrial interfaces designed with conventional approaches, exhibit inefficiencies.First, the theoretical and methodological background of the doctoral thesis is presented, i.e. Cognitive Systems Engineering and Ecological Interface Design Approach. Selected cases of major disturbances in electric networks, along with the incorrect actions performed during their management and restoration, are discussed. Furthermore, major technological and organizational changes that are in progress in contemporary networks, are presented.Operation and restoration of electric networks in a deregulated environment, demands more active control at distribution level, and suitable design of Distribution Management Systems. The interfaces of those systems are cognitive artifacts that must suitably support complex cognitive activities of operators. The doctoral thesis focused on the development of an ecological interface for a medium voltage distribution network, through an integral cognitive engineering cycle that involves Ethnographic Analysis, Cognitive Work Analysis, Prototypes Design, and Analytical Evaluation. Ethnographic Analysis was performed in order to study: the workers’ cognitive and cooperative work in the context of routine and critical operational conditions, the distributed cognitive system, the work practices during familiar and unfamiliar situations, as well as the interventions performed by the operators on traditional artifacts (Mimic Diagram, Transformer Diagram, Control Panel, Control Desk, etc) and procedures, in order to better support their work. Furthermore, the assimilation of former technological and organizational changes was examined.Cognitive Work Analysis was performed in order to define the requirements for operators’ cognitive support, and explore the consequences of the implemented technological and organizational changes. First a primary “Abstraction Hierarchy model” of the technological system was developed. Then, multiple “Abstraction –Decomposition Models” (Model of energy stakeholders, Model of operational subsectors, Model of cooperating control rooms, Model of operator-external crew cooperation, Model of transformer structure, Model of supervisory control systems) were developed, mapping out different views and aspects of work system operation and structure that determine activity in the domain. Context-aware Activity Analysis followed, based on real incidents analysis on suitably selected Models, in the light of four work parameters (control tasks, strategies, social organization of cooperation, individual factors). Integration of detailed requirements defined by the four analysis stages, produced design specifications for operators support under critical operational conditions which are cognitively more demanding.Prototypes Design, started with existing prototypes, proceeded with paper prototypes, and completed with electronic prototypes, while exploring the impact of alternative design solutions on operators cognitive and cooperative work. The requirements and specifications were “translated” to specific design solutions (“Semantic Mapping” process) through an appropriate coupling of ecological design principles with other principles, techniques, and templates.Analytical Evaluation of the final prototype of “PIGMENTUM” ecological interface was done with the “Skills-, Rules-, and Knowledge-based taxonomy” of cognitive behavior, in order to illustrate the way in which operators’ cognitive work is supported for all three levels of cognitive behavior, as well as for the shifts between them, under critical operational conditions of the network. The contribution of the doctoral thesis is summarized in the following points. The selection, adaptation, and combinatorial application of methodological frameworks, tools, and techniques, enriches CSE with elements appropriate for its use in designing interventions on large-scale systems that are subject to constant change. The developed prototype System of Symbols, Relational Geometric Representation Forms, Aggregate Representation Structures, Views, and Windows of “PIGMENTUM” interface, can act as a model when designing interfaces for electric networks and other critical infrastructures that are governed by similar control principles. Finally, the results of the individual stages of analysis and design can be used in the future to apply Integrated Systems Design (i.e. design with a unified philosophy all the elements of the control environment: decision support systems, automation, alarms, training programs, etc.) in order to maximize the impact of ecological interface design.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η ανάλυση, ο σχεδιασμός, και η αξιολόγηση ενός Πρότυπου Διαμεσολαβητή Εποπτείας και Διαχείρισης Ηλεκτρικού Δικτύου Διανομής Μέσης Τάσεως, με την Προσέγγιση της Μηχανικής Γνωσιακών Συστημάτων (ΜΓΣ), και ειδικότερα με τη φιλοσοφία του οικολογικού σχεδιασμού διαμεσολαβητών. Σε θεωρητικό επίπεδο, η διατριβή στόχευσε στην παραγωγή γνώσης σχετικά με την εφαρμοσιμότητα και αποτελεσματικότητα της προηγμένης τεχνικής του οικολογικού σχεδιασμού, σε ένα πεδίο που δεν έχει δοκιμαστεί ξανά. Επίσης, στόχευσε στον εμπλουτισμό της γνώσης αναφορικά με τον τρόπο διερεύνησης και ενσωμάτωσης στη διαδικασία σχεδιασμού ενός διαμεσολαβητή, των τεχνολογικών και οργανωτικών αλλαγών που βρίσκονται σε εξέλιξη στο σύστημα εργασίας, μέσα από την προσέγγιση της ΜΓΣ. Σε πρακτικό επίπεδο, στόχευσε στη δημιουργία ενός οικολογικού διαμεσολαβητή που θα υποστηρίζει αποτελεσματικά το νοητικό έργο των χειριστών, ιδιαίτερα σε κρίσιμες συνθήκες λειτουργίας του ηλεκτρικού δικτύου (περίοδοι υψηλής ζήτησης ενέργειας, χρονικά παράθυρα πριν και μετά την εκδήλωση μπλακάουτ), όπου οι βιομηχανικοί διαμεσολαβητές που σχεδιάζονται με συμβατικές προσεγγίσεις, παρουσιάζουν ανεπάρκειες. Αρχικά, παρουσιάζεται το θεωρητικό και μεθοδολογικό υπόβαθρο της διατριβής, δηλαδή η Μηχανική Γνωσιακών Συστημάτων και η οικολογική προσέγγιση στο σχεδιασμό διαμεσολαβητών. Διερευνούνται επιλεγμένες περιπτώσεις διαταραχών λειτουργίας στα ηλεκτρικά δίκτυα, καθώς και οι λόγοι που εκδηλώθηκαν αστοχίες κατά τη διαχείριση και αποκατάσταση τους. Επίσης, προσδιορίζονται οι σημαντικές τεχνολογικές και οργανωτικές αλλαγές που βρίσκονται σε εξέλιξη στα σύγχρονα ηλεκτρικά δίκτυα. Η λειτουργία και αποκατάσταση των ηλεκτρικών συστημάτων μέσα σε ένα απελευθερωμένο περιβάλλον, απαιτεί περισσότερο ενεργό έλεγχο σε επίπεδο διανομής, και κατάλληλο σχεδιασμό των Συστημάτων Διαχείρισης Διανομής. Οι διαμεσολαβητές των συστημάτων αυτών αποτελούν γνωσιακά τεχνήματα, τα οποία πρέπει να υποστηρίζουν κατάλληλα τις σύνθετες νοητικές δραστηριότητες των χειριστών. Η διατριβή εστίασε στο σχεδιασμό ενός οικολογικού διαμεσολαβητή για δίκτυο μέσης τάσεως, μέσα από ένα ολοκληρωμένο κύκλο Εθνογραφικής Ανάλυσης, Ανάλυσης Νοητικής Εργασίας, Σχεδιασμού Πρωτοτύπων, και Αναλυτικής Αξιολόγησης. Κατά την Εθνογραφική Ανάλυση μελετήθηκε το νοητικό και συνεργατικό έργο των εργαζομένων στο πλαίσιο συνήθων και κρίσιμων συνθηκών λειτουργίας, το κατανεμημένο γνωσιακό σύστημα, οι πρακτικές εργασίας των χειριστών σε οικείες και μη-οικείες καταστάσεις, καθώς και οι παρεμβάσεις που έχουν πραγματοποιήσει σε παραδοσιακά τεχνήματα (Μιμικό Διάγραμμα, Διάγραμμα Μετασχηματιστών, Πίνακας Ελέγχου, Τράπεζα Χειρισμών, κλπ) και διαδικασίες, για να υποστηρίζεται καλύτερα το έργο τους. Επιπλέον μελετήθηκε ο τρόπος αφομοίωσης προγενέστερων τεχνικών και οργανωτικών αλλαγών.Κατά την Ανάλυση Νοητικής Εργασίας αναπτύχθηκαν, ένα βασικό «Μοντέλο Ιεραρχικής Αφαίρεσης» του τεχνολογικού δικτύου, καθώς και πολλαπλά «Μοντέλα Ιεραρχικής Αφαίρεσης-Διάσπασης» (Ενεργειακών θεσμικών Φορέων, Υποτομέων, Συνεργαζόμενων Αιθουσών, Συνεργασίας Χειριστών-Συνεργείων, Δομής Μετασχηματιστών, Τεχνολογικών Συστημάτων Εποπτείας και Ελέγχου Δικτύου), που αποτυπώνουν διαφορετικές οπτικές και πτυχές, της λειτουργίας και δομής του συστήματος εργασίας, οι οποίες καθορίζουν τη δράση σε αυτό. Ακολούθησε Πλαισιοθετημένη Ανάλυση Δραστηριότητας, βάσει πραγματικών περιστατικών, πάνω σε κατάλληλα επιλεγμένα μοντέλα, υπό το πρίσμα τεσσάρων παραμέτρων της εργασίας (καθήκοντα ελέγχου, στρατηγικές, κοινωνική οργάνωση συνεργασιών, ατομικοί παράγοντες), ενώ διερευνήθηκαν και οι επιπτώσεις των υλοποιούμενων τεχνολογικών και οργανωτικών αλλαγών. Η σύνθεση των επιμέρους απαιτήσεων σχεδιασμού που εξήχθησαν από κάθε στάδιο, οδήγησε στον καθορισμό προδιαγραφών για την υποστήριξη των χειριστών σε κρίσιμες συνθήκες λειτουργίας του δικτύου.Ο Σχεδιασμός Πρωτοτύπων, είχε αφετηρία τα υπάρχοντα τεχνήματα, προχώρησε στα πρωτότυπα σε χαρτί, και ολοκληρώθηκε με τα ηλεκτρονικά πρωτότυπα, διερευνώντας τις επιπτώσεις εναλλακτικών σχεδιαστικών λύσεων, στο νοητικό και συνεργατικό έργο των χειριστών. Η μετάφραση των απαιτήσεων και προδιαγραφών σε συγκεκριμένες σχεδιαστικές λύσεις (διαδικασία «Σημασιολογικής Αποτύπωσης»), έγινε μέσα από τη σύζευξη των βασικών αρχών του οικολογικού σχεδιασμού με άλλες αρχές, τεχνικές, και πρότυπα.Ακολούθησε Αναλυτική Αξιολόγηση του τελικού πρωτότυπου του οικολογικού διαμεσολαβητή «PIGMENTUM» που σχεδιάσθηκε, προκειμένου να αποτυπωθεί με τη βοήθεια του εργαλείου «Ταξινόμησης της Συμπεριφοράς Βασισμένης σε Επιτηδειότητες, Κανόνες, και Γνώσεις», ο τρόπος που υποστηρίζεται το νοητικό έργο των χειριστών και για τα τρία επίπεδα νοητικής συμπεριφοράς, καθώς και οι εναλλαγές μεταξύ αυτών, στο πλαίσιο κρίσιμων συνθηκών λειτουργίας του δικτύου.Η συμβολή της διατριβής συνοψίζεται στα ακόλουθα. Η επιλογή, προσαρμογή, και συνδυαστική εφαρμογή, μεθοδολογικών πλαισίων, εργαλείων, και τεχνικών, εμπλουτίζει τη Μηχανική Γνωσιακών Συστημάτων με στοιχεία κατάλληλα για τη χρήση της, στο σχεδιασμό παρεμβάσεων σε μεγάλης κλίμακας συστήματα, τα οποία υπόκεινται σε συνεχείς αλλαγές. Τo πρωτότυπο Σύστημα Συμβόλων, Σχεσιακών Γεωμετρικών Δομών Απεικόνισης, Συναθροιστικών Δομών Απεικόνισης, Παραθύρων και Θεάσεων του οικολογικού διαμεσολαβητή «PIGMENTUM», μπορεί να λειτουργήσει ως πρότυπο κατά το σχεδιασμό διαμεσολαβητών, ηλεκτρικών δικτύων, καθώς και άλλων κρίσιμων υποδομών που διέπονται από παρεμφερείς αρχές λειτουργίας και ελέγχου. Τέλος, τα αποτελέσματα των επιμέρους σταδίων της ανάλυσης και του σχεδιασμού, μπορούν να αξιοποιηθούν μελλοντικά για το σχεδιασμό με μία ενιαία φιλοσοφία, και άλλων στοιχείων του περιβάλλοντος ελέγχου (σύστημα υποστήριξης αποφάσεων, αυτοματισμοί, συναγερμοί, πρόγραμμα εκπαίδευσης, κλπ), προκειμένου ο οικολογικός διαμεσολαβητής να αποδώσει το μέγιστο της δυναμικής του.